L'indice de Fredholm généralise théorème du rang-nullité aux espaces de dimension infinie comme les espaces de Banach. Pour un opérateur de Fredholm [latex]T: X to Y[/latex], son indice est défini par [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex], où la dimension du co-noyau mesure l'écart entre l'image et l'espace entier. Cet indice est un entier stable sous de petites perturbations de l'opérateur.
Le théorème du rang-noyau, [latex]dim(V) – text{rang}(T) = text{noyau}(T)[/latex], est valable pour les applications linéaires entre espaces vectoriels de dimension finie. Dans ce contexte, [latex]dim(V) – text{rang}(T)[/latex] est la dimension du conoyau, [latex]text{conoyau}(T) = W/text{im}(T)[/latex]. Ainsi, le théorème peut s'écrire [latex]dim(noyau(T)) – dim(noyau}(T)) = 0[/latex]. L'indice de Fredholm étend cette idée aux opérateurs de Fredholm, qui sont des opérateurs linéaires bornés entre espaces de Banach dont le noyau et le conoyau sont tous deux de dimension finie.
Pour un tel opérateur [latex]T: X to Y[/latex], l'indice de Fredholm est [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex]. Contrairement au cas de dimension finie où cette différence est toujours nulle, pour les espaces de dimension infinie, l'indice peut être n'importe quel entier. Une propriété essentielle de l'indice est sa stabilité : il ne change pas sous l'effet de perturbations compactes de l'opérateur. Cela signifie que si [latex]K[/latex] est un opérateur compact, alors [latex]text{ind}(T+K) = text{ind}(T)[/latex].
Le concept de conoyau est crucial pour cette généralisation. Pour une application T : X → Y, l'image im(T) est un sous-espace du codomaine Y. Le conoyau, conoyau(T), est l'espace quotient Y / im(T). Sa dimension mesure le nombre de directions indépendantes de Y qui ne sont pas atteintes par T. En dimension finie, le théorème du rang implique dim(conoyau(T)) = dim(conoyau(T)). En dimension infinie, cette égalité n'est plus vérifiée, mais la différence entre ces deux dimensions finies reste un entier stable, l'indice de Fredholm.
Cette stabilité confère à l'indice une importance capitale en tant qu'invariant topologique. Il joue un rôle central dans le théorème de l'indice d'Atiyah-Singer, l'un des résultats les plus profonds des mathématiques du XXe siècle, qui relie l'indice analytique d'un opérateur différentiel sur une variété compacte aux invariants topologiques de cette variété. Ce théorème comble le fossé entre l'analyse et la topologie, avec des conséquences majeures en physique théorique et en géométrie.
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Lié à : indice de Fredholm, analyse fonctionnelle, espace de Banach, opérateur de Fredholm, noyau, co-noyau, théorème de l'indice d'Atiyah-Singer, théorie des opérateurs, invariant topologique, dimension infinie.